钻井防斜打直关键技术与应用探讨

舒宁

摘 要： 钻井过程中影响井斜的因素很多，且井斜给钻井、完井等作业带来一系列的危害，并造成巨大损失。防斜打直技术是石油钻井一项关键技术。针对钻井中多次出现井斜问题，国内使用较多的除钟摆钻具和满眼钻具防斜技术外，发展了偏轴钻具防斜技术、螺杆钻具配合PDC钻头防斜技术等，近年来又扩大了VDS、SDD、VertiTrak、PowerV等具有主动防斜能力的自动化井斜闭环控制系统的应用，成功地解决了高陡构造、断层、盐层等情况下钻进时的井眼质量问题。

关键词： 钻井；防斜打直；钻具组合；钻速

前 言

胜利油田地处渤海湾，石油资源丰富，油藏类型复杂多样，如何实现高效勘探开发，一直是石油工作者不断探索的课题。其中：石油钻井施工中的防斜打直问题一直是困扰钻井施工的难题之一，如果井斜控制不当，不断达不到预期的开发目的，而且容易造成重大井下事故。地质因素（地层倾角、层状结构、断层、软硬交错等）和工程技术因素（钻具结构、钻进参数等）均会导致井斜，严重井斜是制约钻井速度的关键。经过多年研究探索和试验，已经初步掌握了一整套传统的防斜打直理论和技术，根据井斜控制原理及控制能力的不同，防斜打直技术分为被动防斜技术及主动防斜技术。国内以钟摆防斜降斜技术和偏轴防斜技术为主，国外出现了如VDS系统等新型主动性防斜打直技术。本文重点分析了目前防斜打直技术现状和技术特点，探讨了发展趋势。

1 被动防斜打直技术

包括钟摆钻具、刚性满眼钻具、偏重（心）钻具等组合。特点是利用钻具组合（BHA）自身的受力和变形特性，不借助其它外部因素（如井下测量和控制系统等）防斜，因而也称为BHA防斜打直技术。在地质构造复杂地区，这种技术应用效果不理想。（1）钟摆钻具组合。包括塔式钻具、普通钟摆钻具、柔性钟摆钻具等。在众多防斜、纠斜打直技术中，它可以适合各种地层倾角的地层。钟摆钻具主要用于纠斜，其纠斜原理是利用BHA自重产生的“钟摆力”，使钻头处产生与井斜方向相反的侧向切削作用。缺点是无法避免钻头倾角的增斜因素，同时为提高纠斜效果，只能尽量降低钻压，影响了钻井速度和钻井效益。（2）刚性满眼组合。包括满眼钻具、方钻铤、椭圆钻铤等。满眼打直技术是国内外被动防斜打直技术中使用较多的一项打直技术，其出发点是通过提高底部钻具组合的刚性、减少钻具与井眼的间隙，提高底部钻具组合的抗弯曲能力，来有效减少由于钻具组合弯曲造成的井斜。这种方法可以使用较大钻压， 缺点是只适合地层倾角较小的地层。没有纠斜能力，井斜后不能用来纠斜。（3）动力学防斜方法。鉴于解放钻压和防斜打快目的，提出了偏心防斜打直技术和大钻压防斜打直技术，并在某些地区取得了成功。这两种方法的最大特点是突破了对底部钻具组合变形的限制，并利用底部钻具组合的变形和在井眼中的动力学行为来达到平衡地层造斜力的目的。实现了解放钻压的目的，使钻井速度得到了提高。但由于在现场较难对钻具组合的动力学行为进行仿真研究，在现场推广中效果受到了影响。（4）偏心钻铤钻具组合。偏重钻具是在普通钻铤的一侧钻一排孔眼，造成一边轻一边重，旋转时产生离心力，钻具每转动一周就有一次离心力和钟摆力的重合，这种合力对井眼井壁产生冲击削力，从而抑制井斜的产生。（5）FG型防斜工具。钟摆钻具、满眼钻具、偏心钻具等防斜钻具组合在特定的条件下起到了一定的防斜作用，但其防斜效果受钻井操作参数的影响较大，有时不得不降低钻进速度以求得到较小的井斜率。为了解决上述问题，胜利等设计了FG新型复合式高效防斜工具。FG型防斜工具能够在任何钻压下正常钻进，同时具有良好的防斜能力。由于其外筒是不受压的圆筒，不存在受压失稳的问题。同时，由于其具有较大的刚度和特殊的结构，所以钻压引起的弯曲变形很小，钻头旋转一周的侧向力平均值与钻压大小基本无关。FG型防斜工具是基于钻头公转防斜原理设计的，而这种公转运动是靠其自身结构实现的，与离心力无关，能夠以任何转速正常钻进。使用FG型防斜工具，可以通过调整钻压及弹簧刚度设定钻柱传给钻头的最大扭矩，避免钻头牙齿承受超过其负荷能力的扭矩，可有效地保护钻头并延长其工作寿命。

2 主动防斜打直技术

包括垂直钻井系统（VDS）、直井钻井系统（SDD），均带有井下测量仪器和自动控制系统，能够自动对直井井斜连续测量和控制，代表着目前防斜打直的最高水平。主动防斜打直技术的出发点是通过自动控制或人为遥控控制的专用工具进行井眼轨迹的控制。这些工具或系统有VDS系统，SDD直井钻井系统，Baker Hughes公司的VertiTrak系统，Schlum.berger公司的PowerV系统等。国内近年来采用“金刚石钻头或HJ系列牙轮钻头+小度数弯外壳马达（螺杆、涡轮）+转盘钻”技术来防斜打直。这些技术可以较好地解决高陡构造地区的直井打直问题。惟一的不足是工具本身的成本很高，严重影响了这种方法的普及和推广。

3 防斜打直技术的现场应用

现场实践发现，使用PDC钻头小钟摆钻具，在出现井斜后往往不纠斜，反而成为强增钻具结构。因此对于易斜地区尽量采用塔式钻具结构，小钻压钻进为宜。对于易斜地区，使用PDC钻头尽可能不采用钟摆钻具结构。（1）柔性大钟摆钻具，大钻压防斜钻进。这种柔性钟摆钻柱组合，如果施加大钻压，稳定器以下与稳定器之间都易形成与井壁接触的切点，因而适于用大钻压打直井段。使用这种钻具组合，钻压要大（2 6 0～3 0 0 k N），转速要快（最好大于200rpm），钻头选用具有外切削能力且保径能力强的钻头。在钻进中每钻完一根单根都要提起来划眼，划眼只划下单根，不划上单根，划眼一定要控制速度慢划（特别是在硬地层）。采用自浮式测斜仪勤测斜，发现井斜有增大或超标的趋势，可以在每个单根最后1m进行吊打，也可以钻进一段后吊打4～5根单根。（2）刚性大钟摆钻具，大钻压纠斜钻进。这种刚性钟摆钻具组合，稳定器下的钟摆段较长，而稳定器之间的钻铤由于刚度大，在大钻压下切点不易与井壁接触，故用大钻压打降斜段。考虑到PDC钻头一般用小钻压（60～100kN）吊打，为防斜打直，可采用钟摆钻具结构。牙轮钻头优选满眼钻具，也可使用塔式钻具或钟摆钻具，在减小井眼曲率，保证套管好下的同时，可加大机械参数。（3）偏轴钻具组合，大钻压防斜/纠斜钻进。偏轴钻具具有防斜和纠斜功能，在相同条件下可使用较大钻压（比普通钟摆钻具的钻压大），有利于在较大倾角地层实现防斜打快。此外，还使用了PDC钻头+螺杆钻具进行防斜钻进，也有较好效果，但其限制条件是：有的地层不能用PDC钻头；螺杆钻具使用造价较高且寿命较短。

4 结束语

（1） 目前使用较多的钟摆防斜降斜技术降低了钻井速度，以控制钻具组合变形为机理。（2）国外的先进工具可以实现直井的防斜打快目的，使用成本高。（3）偏轴防斜技术、大钻压防斜技术等属于动力学防斜打快技术范畴，突破了对底部钻具组合变形的限制，实现了解放钻压的目的，使钻井速度得到了提高。总之，防斜打直是钻井作业过程中关键的一环，控制好井斜才能获得高质量的井身质量。

参考文献：

[1] 付胜利，高德利.FG型防斜工具的设计研究.石油学报，2005（3）.